パターン（鋳造）

鋳造において、パターンは鋳造する物体のレプリカであり、鋳造プロセス中に溶融金属を流し込む砂型の空洞を形成するために使用されます。パターンを使用して砂型の空洞を形成した後、パターンは取り除かれ、次に溶融金属が砂型の空洞に流し込まれて鋳造品が製造されます。パターンは消耗品ではなく、ほぼ無制限に再利用して砂型を製造することができます。

ほとんどすべての金属は温度が下がると収縮するため、鋳造パターンは実際に鋳造されるものよりも大きめに作らなければなりません。例えば、アルミニウムの鋳造収縮率は約1.3%なので、鋳造アルミニウム部品のパターンは鋳造部品自体よりも1.3%大きく作られます。^{[1] [2]}

砂型鋳造で使用される型は、木材、金属、プラスチック、またはその他の材料で作られます。型は、製造される型の品質等級に応じて、妥当な期間持続し、寸法的に許容できる鋳造を繰り返し提供できるように、厳格な製造基準に従って製造されます。^[3]

パターンを作ることはパターンメイキング（パターンメイキングまたはパターンメイキングと呼ばれることもある）と呼ばれ、工具や金型の作成や鋳型製作の技術と関連しているが、しばしば木工細工の要素も取り入れられている。パターンメーカー（パターンメーカーまたはパターンメーカーと呼ばれることもある）は、徒弟制度や職業学校を通じて長年の経験を積み、技術を習得する。エンジニアがパターンの設計を手伝うことはあっても、設計を実行するのは通常パターンメーカーである。^[4]

通常、型紙作りに使用される材料は、木材、金属、プラスチックです。ワックスや焼石膏も使用されますが、特殊な用途に限られます。サトウパイン材は、柔らかく、軽く、加工しやすいという理由から、型紙に最もよく使用される材料です。ホンジュラス・マホガニーは、松よりも硬く、長持ちするため、より多くの生産部品に使用されました。適切に硬化すると、反りや反りがなく、入手可能な木材と同じくらい安定しています。型紙が一度作られると、鋳造所は型紙の形状を変えたくありません。熱帯雨林の破壊により、本物のホンジュラス・マホガニーは今では入手が難しくなり、現在ではマホガニーとして販売されているさまざまな木材があります。グラスファイバーとプラスチックの型紙は、防水性と耐久性に優れているため、近年人気が高まっています。金属製の型紙は長持ちし、湿気に負けませんが、より重く、より高価で、一度損傷すると修理が困難です。^[5]

ワックスパターンは、インベストメント鋳造と呼ばれる代替鋳造プロセスで使用されます。この目的には、パラフィンワックス、蜜蝋、カルナバワックスの組み合わせが使用されます。この場合、ワックス「パターン」は、通常砂ではなく硬い石膏のような材料である鋳型の空洞から溶かされるため、ワックス「パターン」は一度しか使用できません。^[5]

石膏は硬化が早く、硬化段階では柔軟性が高いため、通常はマスターダイや鋳型の作成に使用されます。^[5]

パターンメーカーまたは鋳造技術者は、パターンに対してスプルー、ゲートシステム、およびライザーを配置する場所を決定します。鋳物に穴が必要な場合、鋳物内で金属が流れ込まない容積または位置を定義するコアを使用できます。成形前にパターン表面にチルを配置し、それを砂型に成形する場合もあります。チルは、局所的な急速冷却を可能にするヒートシンクです。急速冷却は、粒子構造を改良したり、鋳型に注がれた溶融金属の凝固順序を決定したりするために必要になる場合があります。チルははるかに低い温度であり、注がれる金属とは異なる金属であることが多いため、鋳物が冷却されても鋳物に付着しません。チルはその後、回収して再利用できます。

供給およびゲートシステムの設計は、通常、方法論または方法設計と呼ばれます。これは、手動で実行することも、汎用CADソフトウェアを使用して対話的に実行することも、専用ソフトウェア（AutoCASTなど） を使用して半自動的に実行することもできます。

パターンは木材、金属、セラミック、または硬質プラスチックで作られており、複雑さはさまざまです。

単一ピース パターン、またはルーズ パターンは、最も単純です。これは、目的の鋳造品のレプリカであり、通常は、対象金属の収縮を相殺するために、わずかに大きいサイズです。ゲート パターンは、シェイクアウト後に切り離される一連のランナーを使用して、複数のルーズ パターンを接続します。セグメント パターンまたはマルチピース パターンは、後処理で結合される複数のピースの鋳造品を作成します。

マッチ プレート パターンは、パターンの上部と下部 (コープとドラッグ部分とも呼ばれる) がボードの反対側に取り付けられたパターンです。この適応により、パターンを成形材料から素早く成形できます。コープとドラッグ パターンと呼ばれる同様の技術は、大型鋳造品や大量生産によく使用されます。このバリエーションでは、パターンの両側が別々のパターン プレートに取り付けられ、水平または垂直の機械に接続して成形材料で成形できます。コープとドラッグの間のパーティング ラインが不規則な場合は、フォロー ボードを使用して不規則な形状の緩いパターンをサポートできます。

スイープ パターンは対称型に使用されます。対称型とは、成形材料を通して中心軸または極の周りを回転する輪郭形状です。スイープ パターンはスケルトン パターンの一種で、成形材料を通して移動することで型を作成する幾何学的パターンです。

スケルトン パターンは、木材や金属で作られた全体のセットアップが高価な場合に使用されます。通常、隙間が埋められていない状態でパーツとして作成され、その埋められていない部分はローム砂または粘土で埋められるか覆われます。隙間に粘土が付着した場合、余分な粘土を削り取るためにストリックル ボードまたはストライクオフ ボードが使用されます。例: タービン ケーシング、土壌および水道管の曲げ、バルブ本体、ボックス。

（固体）冷却プロセス中に起こる寸法変化を補正するために、通常はパターンに余裕を持たせます。^[6]

ほとんどすべての金属は凝固中に体積が収縮します。これは液体収縮と呼ばれます。言い換えると、ほとんどすべての金属は溶融または液相線温度で体積が増加します。一般的な「体積収縮」は、合金によって異なりますが、3.5% ～ 10.0% の範囲です。一部のグラファイト鋳鉄は、よく管理された条件下で重い部分を鋳造すると、わずかにプラスの降伏を示すことがあります。 また、 Type Metal は、真にシャープな鋳物を保持し、冷却後に正しい寸法を維持する能力があることでも知られ、使用されています。通常、エンジニアリング鋳造部品を作成する場合、「方法」はパターンと一緒に設計されます。つまり、ライザーのサイズ、ライザーの数、ライザーの位置です。さらに、ダウンスプルー、ランナー バー、インゲートも「方法」で設計されます。したがって、「方法」により、溶融金属が供給され、鋳型が正しく充填され、ライザーが充填されて凝固中に「収縮する体積」の液体が鋳造品に「供給される」ことが保証されます。この「方法」は、「方法エンジニア」によって行われます。この「方法エンジニア」は、パターンメーカー（追加のトレーニングを受けた）、鋳造エンジニア、または溶融と鋳造/凝固に関連する体積増加/体積損失の概念に精通している冶金学者である可能性があります。例：鋼の密度（固体）が 7.85 で収縮が 6%、またはより正確に言えば、溶融時に 6% の体積増加があると仮定します。鋼の固体密度に基づいて、100 kg のブロックを鋳造するための鋳型が作られました。鋼の液体密度は、固体密度値の 94% にすぎません。液体の密度は約 7.38 です。したがって、100 kg のブロック（固体計算）が液体で満たされると、質量はわずか 94 kg になります。6 kg は、凝固中に「ライザー」または「フィーダー」から供給される必要があります。したがって、固体オブジェクトの質量は 100 kg になります。この方法は、凝固中の体積損失に対処するためのシステムです。これは（技術的には）許容値ではありません。

パターンに金属の収縮のために与えられるこの余分なサイズは、「収縮許容値」と呼ばれます。これらの値は通常、0.6% から 2.5% の間です。これは、特大ルールである収縮ルールを使用して考慮されます。収縮ルールは、一般的に工業的に鋳造される一般的な合金で利用できます。あるいは、パターンメーカーは、すべての寸法に指定されたパーセンテージを単純に追加します。この許容値の例 - 2% の収縮ルールを使用してブッシュの外径が 1500mm、内径が 1000mm、高さが 300mm の場合: パターンメーカーは、パターンを外径 1530mm (収縮するため)、内径 1020mm (材料は中心または重心に向かって収縮する傾向があるため) に作成します。材料は中心に向かって接触する傾向があるため、内径にも許容値が追加されることに注意することが重要です。^[7]使用されるコアは、崩壊可能な砂で作られているか、金属が膨張できるようにコアの中央に十分な空洞が与えられています。最終的に、高さ寸法は306mmになります。

収縮量は、鋳型や中子に使用される砂のシステム（粘土結合砂、化学結合砂、砂内に使用されるその他の結合材など）によっても若干異なります。使用されている砂のシステムにより、正確な値は鋳造所ごとに異なります。各鋳造所は、独自のパターンと鋳造品を測定することで、独自の収縮許容値を調整できます。

収縮と収縮は、液体収縮と固体収縮に分類できます。液体収縮は、凝固（液体から固体へ）のプロセス中に体積が減少することであり、液体収縮はライザーによって考慮されます。固体収縮は、（固体）鋳造金属の冷却中に寸法が減少することです。収縮許容値は固体収縮のみを考慮します。

砂型からパターンを取り出す際、先端が折れたり、その過程で損傷したりする可能性があります。これを避けるために、パターンにテーパーが設けられ、パターンを型から簡単に取り外せるようになり、エッジの損傷が軽減されます。設けられたテーパー角度はドラフト角度と呼ばれます。ドラフト角度の値は、パターンの複雑さ、成形の種類（手成形または機械成形）、表面の高さなどによって異なります。鋳物に設けられるドラフトは、通常、外面で1〜3度（内面で5〜8度）です。^[7]

砂型鋳造で得られる表面仕上げは一般的に劣悪（寸法精度が低い）であるため、多くの場合、鋳造製品は表面仕上げを改善するために旋削や研削などの機械加工にかけられます。機械加工中に、部品から金属がいくらか除去されます。これを補うために、鋳造品には加工代（グリーンと呼ばれることもある追加材料）を与える必要があります。^[7]仕上げ代の大きさは、鋳造品の材質、鋳造品のサイズ、生産量、成形方法などによって異なります。

通常、型を鋳型のキャビティから取り出す際には、取り出しやすくするために、型の表面全体を叩きます。この工程で、最終的なキャビティは拡大します。これを補うために、型寸法を小さくする必要があります。この許容値は人員に大きく依存するため、標準値はありません。この許容値はマイナスの許容値であり、この許容値を回避する一般的な方法は、ドラフト許容値を増やすことです。型が揺れると、鋳型のキャビティが拡大し、結果として鋳造物が大きくなります。^[7]

鋳型の冷却中に固体金属に生じた応力により、鋳物の歪みが生じることがあります。これは鋳型の長さに比べて幅が薄い場合に顕著になります。これは、最初にパターンを反対方向に歪ませることで解消できます。^[6]

金属の砂型鋳造には、引き続きパターンが必要です。ねずみ鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、鋼の鋳物の製造では、砂型鋳造が依然として最も広く使用されているプロセスです。アルミニウム鋳物の場合、砂型鋳造は重量で総トン数の約 12% を占めます ( 2006 年の出荷に基づくと、ダイカストの 57%、半永久鋳型と永久鋳型の 19% に次ぐ)。正確なプロセスとパターン装置は、常に注文数量と鋳造設計によって決まります。砂型鋳造では、1 つの部品から 100 万部もの部品まで製造できます。

SLSやSLMなどの付加製造方式は、一部の製造状況では鋳造に取って代わる可能性がありますが、鋳造が完全に置き換えられるにはほど遠い状況です。競争力のある単位コストで適切な材料特性を提供できる場合は、引き続き需要があります。

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